数字基带传输系统可靠性研究及相关因素分析

数字基带传输系统可靠性研究及相关因素分析

作者：王晓玲 胡剑凌

来源：《现代电子技术》2018年第20期

摘 要： 首先完成基于Matlab/Simulink的基带传输系统的仿真设计，经显示器观察发现各点波形与原理一致。在仿真基础上，对双极性码和双相码两种传输码系统进一步研究系统误码率，分析信息传输速率、不同传输码型和系统传输特性对系统可靠性的影响，仿真结果表明，降低信息速率、提高系统信噪比、增加系统滤波器滚降系数和选用高效的传输码型均可以降低系统误码率，提高系统的可靠性。

关键词： 数字基带传输； 双极性码； 双相码； 信息传输速率； 误码率降低； 可靠性研究

中图分类号： TN935.2⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2018）20⁃0100⁃04 Abstract： The simulation design of the baseband transmission system based on

Matlab/Simulink is completed in this paper. It is found by displayer observation that the waveform of each point is consistent with that of theoretical analysis. On the basis of the simulation， further research on system error rates of the bipolar code transmission system and biphase code transmission system is carried out， so as to analyze the influence of information transmission rate， different transmission codes， and system transmission feature on system reliability. The simulation results show that the system error rate can be decreased and the system reliability can be improved by

reducing the information transmission rate， improving system SNR， increasing the roll⁃off factor of the filter， and selecting high⁃efficient transmission code.

Keywords： digital baseband transmission； bipolar code； biphase code； information transmission rate； error rate reduction； reliability research

在传输距离不太远的情况下，数字基带传输技术能够实现基带信号不经过载波调制而直接进行传输，因此数字基带传输系统广泛应用于对称电缆构成的计算机通信等领域。另外，采用线性调制的带通传输系统可以等效成一个基带传输系统[1]，因此对数字基代传输系统进行研究具有重要的现实意义和理论价值。数字通信系统的可靠性用差错概率来衡量，差错概率常用误码率或误比特率表示，本文主要從信息传输速率、传输码型、信道噪声、系统传输特性等方面分析影响数字基带传输系统可靠性的因素。

数字基带信号是来自数据终端的原始数据信号，如计算机输出的二进制序列，电传机输出的代码，或者是来自模拟信号经数字化处理后的PCM码组等等都是数字信号。这些信号频谱

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

包含丰富的低频分量，甚至直流分量，功率主要集中在一个有限的频带范围内[2]。在某些有限信道中，特别是传输距离不太远的情况下，数字基带传输系统可以将数字基带信号不经过载波进行调制而在信道中直接传送。数字基带传输系统原理[3]如图1所示，主要由码型变换器、发送滤波器、信道、接收滤波器和抽样判决器以及同步系统组成。

在实际的基带传输系统中，需要将数字基带信号进行码型变化，选择合适的传输码型来满足基带传输系统的要求。常用的传输码型有：双极性码（Bipolar Code）、双相码（Biphase Code）、传号反转码（Coded Mark Inversion，CMI）、三阶高密度双极性码（High Density Bipolar of Order 3，HDB3）、密勒码（Miller Code）等。

数字通信系统可靠性用差错控制概率来衡量，常用误码率或误比特率表示，噪声干扰和码间串扰是引起数字基带传输系统误码的主要原因。噪声干扰是因为基带信号在加性高斯白噪声的信道中传输，加性噪声直接叠加在信号上使得接收端判决产生错误。码间串扰是由于系统总传输特性不够理想，基带信号受到传输时延的影响使得波形发生畸变或错位。为了消除码间串

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

扰影响，数字基带传输系统的冲激响应波形在本码元的抽样时刻上有最大值，并在其他码元的抽样时刻上均为0，则可消除码间串扰，即冲激响应函数[ht]满足如公式（3）所示的时域条件[4]：

为满足无码间串扰的时域条件，在实际应用中基带传输系统通常采用具有升余弦特性滚降的传输函数，其中用于描述滚降程度的余弦滚降系数[α]对消除码间串扰、占用频带产生影响。在实际系统里，当噪声和码间串扰同时存在的情况下，通常采用实验手段定性分析系统特性，即通过眼图估计和调整系统的性能[5]。

本文根据数字基带传输系统原理基于Matlab/Simulink仿真平台完成系统设计，并对影响数字基带传输系统可靠性的因素进行分析，包含以下几个方面：传输速率、传输码型、余弦滚降系数[α]、信噪比。通过眼图定性分析系统传输特性；通过误码率定量分析系统的抗噪声性能。

根据数字基带传输系统原理，基于Matlab/Simulink平台设计的双极性码的传输模型如图2所示，包括传输码型模块、传输模块（发送滤波器、信道、接收滤波器）、抽样判决模块和结果显示模块等部分[6]。选择传输码时需考虑不含直流且低频分量尽量少、不受信源统计特性影响等原则，满足选择原则的传输码很多，如图3所示为双相码和传号反转码的产生模型[7]。传输模块的滤波器的设计至关重要，为了降低抽样时刻产生的码间串扰影响，本系统采用具有升余弦滚降特性的滤波器[8]，通过更改余弦滚降系数观察对系统可靠性的影响，信道为高斯信道，观察噪声对误码率产生的影响。抽样判决模块的作用是在码间串扰和噪声干扰的情况下，在规定的时刻里对接收滤波器输出的波形进行抽样判决，然后恢复或者再生基带信号。结果显示模块包括显示各点波形（Scope）和误码率（Error Rate Calculation）以及眼图（Eye Diagram Scope）等信息。模型具体参数设置可参考文献[9]。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

对双极性码传输系统进行仿真运行，其中设置仿真时间10 s，高斯信道信噪比SNR为5 dB时观测每个点的波形，示波器显示如图4a）所示。各点波形如下：第1行为数字基带信号1010001 101110的单极性信号；第2行为对应的双极性信号；第3行为经发送滤波器的波形；第4行为经过信道后输出波形，观察发现由于信道传输特性不理想，信道输出波形产生失真；第5行为接收滤波器输出波形，与信道输出波形比较失真减弱；第6行和第7行分别为经抽样判决恢复的基带信号和系统发送的基带信号，接收和发送完全一致。观察系统各点波形与理论分析保持一致，说明此系统设计合理，并且传输有效。图4b）为双相码传输系统各点波形图，本文将进一步分析两种传输码对系统可靠性的影响。

在上述仿真工作的基础上，进一步对系统的误码率进行分析，分析不同传输码元相同传输速率、相同传输码的不同传输速率、信道噪声以及滤波器的滚降系数对误码率的影响。 3.1 信息传输速率的影响

对极性码系统仿真模型设置系统的滚降系数[α]为0.5，发送的码元速率分别为10 bit/s，1 000 bit/s时，设置信噪比分别为-10～1 dB得到的误码率如图5a）所示。仿真记录结果表明：对于相同的信噪比，系统信息传输速率低的误码率低于信息传输速率高的误码率；另外，不管传输速率如何变化，传输系统的误码率都会随着信噪比的增加而降低。同样可以得到双相码系统仿真模型设置系统的滚降系数[α]为0.5、发送的码元速率分别为10 bit/s，1 000 bit/s、设置信噪比为-10～1 dB得到的误码率如图5b）所示，双相码传输系统结果和双极性码传输系统结果一致。

通过数据分析可知，若想提高系统的可靠性，可以通过降低码元的速率来降低系统的误码率，但代价就是降低系统的有效性，也就是可以实现通信系统有效性和可靠性的相互转化，这符合信息论的理论知识。另外可以通过提高信噪比来提高系统的可靠性。 3.2 传输码型的影响

设置仿真时间为10 s，双极性传输系统和双相码传输系统的发送数据率都为1 000 bit/s，滚降系数[α]均为0.5时，高斯信道信噪比设置为3～11 dB。观察两组码型在相同传输特性系统里的误码率，结果如图6所示。结果表明用双相码进行传输时其误码率低于双极性码的误码率。这是因为双相码是经过编码的，它由双极性信号和双极性脉冲相乘得到，而且双相码的每个码元间隔的中间点都存在电平跳变，含有丰富的位定时信息。而双极性码编码过于简单，因此在传输过程中误码率高于经过编码的双相码。 3.3 传输特性的影响

在双相码的传输系统中，设置仿真时间为10 s，发送的数据率为1 000 bit/s时，改变高斯信道的信噪比，SNR从2～11 dB共10个点，观察系统滤波器滚降系数[α]为0.1和0.5两传输系统的误码率[10]，结果如图7所示。对于相同信噪比，滚降系数[α]为0.5的传输系统的误码

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

率低于滚降系数[α]为0.1的传输系统的误码率，因此，滚降系数较大时误码率较小。因此想要降低误码率可以增加系统的滚降系数也得以实现，经过理论分析可知增加系统滚降系数是以增加系统带宽为代价的。

本文完成基于Matlab/Simulink仿真平台的数字基带传输系统设计，观察系统各点波形与理论分析保持一致，说明此系统设计合理、传输有效。进一步分析信息传输速率、不同传输码型和系统传输特性对系统可靠性的影响。仿真结果表明，降低信息速率、提高系统信噪比、增加系统滤波器滚降系数和选用高效的传输码型均可以降低系统误码率，即提高系统的可靠性。 参考文献

[1] 李永军，徐晓蓉，陈立家.数字基带传输系统仿真与分析[J].河南大学学报（自然科学版），2010，40（4）：411⁃414.

LI Yongjun， XU Xiaorong， CHEN Lijia. Simulation and analysis on digital baseband transfer system [J]. Journal of Henan University （Natural science）， 2010， 40（4）： 411?414. [2] PROAKIS J G， SALEHI M. Digital communications [M]. 5th ed. New York： McGraw⁃Hill， 1995.

[3] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].7版.北京：国防工业出版社，2012.

FAN Changxin， CAO lina. Principles of communications [M]. 7th ed. Beijing： National Defense Industrial Press， 2012.

[4] 鄢保兰，谢玲，许艳红.无码间串扰传输特性动态仿真分析与研究[J].电脑与电信，2009（6）：34⁃36.

YAN Baolan， XIE Ling， XU Yanhong. The dynamic simulation and research of the intersymbol interference?free transmission [J]. Computer & telecommunication， 2009（6）： 34⁃36.

[5] 张会，刘伯栋.基于眼图分析的数字通信干扰效果方法研究[J].舰船电子工程，2011，31（2）：73⁃76.

ZHANG Hui， LIU Bodong. Research of digital signal jammed effect evaluation measures based on eye⁃graph [J]. Ship electronic engineering， 2011， 31（2）： 73⁃76.

[6] HAYKIN S. Communication systems [M]. 4th ed. New York： John Wiley & Sons， Inc.， 2000.

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

[7] 张水英，徐伟强.通信原理及Matlab/Simulink仿真[M].北京：人民邮电出版社，2012. ZHANG Shuiying， XU Weiqiang. Principles and Matlab/Simulink simulations of communications [M]. Beijing： Posts & Telecom Press， 2012.

[8] 左金钟，马伊民，习清伶.滚降系数不匹配对基带传输系统的性能影响[J].国外电子测量技术，2011，30（8）：21⁃28.

ZUO Jinzhong， MA Yimin， XI Qingling. The effects of mismatched roll⁃off factor on the performance of digital baseband transmission system [J]. Foreign electronic measurement technology， 2011， 30（8）： 21⁃28.

[9] 王晓玲.曼彻斯特码传输系统仿真设计与性能分析[J].信息化研究，2015，41（5）：34⁃38.

WANG Xiaoling. Simulation design and performance analysis for Manchester code transmission system [J]. Informatization research， 2015， 41（5）： 34⁃38.

[10] PARK S， CHUANG H， NA S. Intersymbol interference due to mismatched roll⁃off factors and sampling jitter over a Gaussian channel [J]. Electronics letters， 1997， 33（24）： 2016⁃2017.